Ο υποψήφιος διδάκτορας δημιουργεί πλάκες χειρουργικής γόνατος για τον ασθενή με γενετικό σχεδιασμό – Autodesk Learn Lab

Για αρκετές δεκαετίες, σε άτομα που διαγιγνώσκονταν με οστεοαρθρίτιδα στο γόνατο θα προσφερόταν μια χειρουργική επέμβαση ολικής αντικατάστασης γόνατος. Σήμερα, ωστόσο, ορισμένοι ασθενείς έχουν την επιλογή της ευθυγράμμισης του γόνατος μέσω μιας οστεοτομής υψηλής κνήμης (HTO), η οποία διατηρεί την εγγενή άρθρωση αποφορτίζοντας το άρρωστο μέρος και σταθεροποιώντας το με μια πλάκα στερέωσης τιτανίου. Επί του παρόντος, οι περισσότερες εμπορικές πλάκες HTO είναι “ενιαίου μεγέθους”, γεγονός που οδηγεί σε μειωμένη απόδοση και συχνές επιπλοκές. Στο μέλλον, οι ασθενείς που πάσχουν από οστεοαρθρίτιδα γόνατος μπορεί να έχουν την επιλογή μιας εμβιομηχανικά βελτιστοποιημένης, ειδικής για τον ασθενή πλάκα στερέωσης, χάρη στην έρευνα του υποψηφίου διδάκτορα μηχανολογίας του Πανεπιστημίου του Birmingham Sanjeevan Kanagalingam και των συνεργατών του στο ερευνητικό πρόγραμμα.

Οι γενετικά σχεδιασμένες πλάκες στερέωσης για χειρουργική επέμβαση HTO θα λαμβάνουν υπόψη εξατομικευμένες εμβιομηχανικές απαιτήσεις για την κατασκευή εμφυτευμάτων ιατρικής ποιότητας από κράμα τιτανίου για την αντιστοίχιση συγκεκριμένων αναγκών του ασθενούς. Αυτές οι ιδιαιτερότητες θα περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, το σχήμα του οστού, το βάρος του ασθενούς, την ανατομία της άρθρωσης, τον βαθμό ευθυγράμμισης και τα τυπικά επίπεδα καθημερινής δραστηριότητας. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει μια προσαρμοσμένη λύση για αθλητές που μπορεί να αναπτύξουν οστεοαρθρίτιδα γόνατος νωρίς στη ζωή τους και να βάζουν τις αρθρώσεις τους σε καθημερινά υψηλά επίπεδα πρόσκρουσης σε σύγκριση με άτομα με χαμηλότερα επίπεδα δραστηριότητας. «Με τον γενετικό σχεδιασμό μπορούμε να προσαρμόσουμε αυτές τις λεπτομέρειες σε κάθε άτομο και να δημιουργήσουμε ένα εμβιομηχανικά συγκεκριμένο σχέδιο», λέει ο Kanagalingam.

Η ερευνητική ομάδα περιλαμβάνει το Manufacturing Technology Center (MTC) στο Κόβεντρι του Ηνωμένου Βασιλείου, τον ορθοπεδικό χειρουργό Tarek Boutefnouchet, τον τεχνικό σύμβουλο της Autodesk Peter Champneys και τους ακαδημαϊκούς επόπτες Δρ. Lauren Thomas-Seale και Καθ. Duncan Shepherd. «Πρόκειται για ένα μοναδικό έργο στον τομέα της οστεοτομίας γόνατος κατά παραγγελία για συγκεκριμένο ασθενή, που απεικονίζει το τέλειο προϊόν αρκετών ετών συνεργασίας μεταξύ κλινικών και μηχανικών», λέει ο Δρ. Boutefnouchet. «Με την αυξανόμενη μακροζωία, οι άνθρωποι επιθυμούν να παραμείνουν δραστήριοι, σε φόρμα και λειτουργικοί σε πιο προχωρημένη ηλικία. Οι επεμβάσεις συντήρησης των αρθρώσεων όπως η οστεοτομία γόνατος έχουν γίνει κρίσιμες στην ορθοπεδική χειρουργική. Αυτή η νέα τεχνική θα είναι πιο ακριβής, ακριβής και τελικά θα οδηγήσει σε καλύτερα κλινικά αποτελέσματα».

Από την τρισδιάστατη εκτύπωση στο γενετικό σχεδιασμό

Αφού απέκτησε μεταπτυχιακό στη μηχανολογία και εργάστηκε ως ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, ο Kanagalingam ανέπτυξε βαθύ ενδιαφέρον για την τρισδιάστατη εκτύπωση/κατασκευή προσθέτων. Στη συνέχεια, πριν από περίπου πέντε χρόνια, το MTC προσφέρθηκε να χορηγήσει το διδακτορικό του έργο του Εθνικού Ταμείου Επενδύσεων Παραγωγικότητας στο Συμβούλιο Μηχανικών και Φυσικών Επιστημών (EPSRC) και άρχισε να εξετάζει θεμελιώδη προβλήματα όπου η παραγωγή προσθέτων θα μπορούσε να κάνει απτή διαφορά στα αποτελέσματα των ασθενών, όπως π.χ. ορθοπεδικά εμφυτεύματα για κατάγματα οστών. Τελικά περιόρισε την εστίαση στις ορθοπεδικές μονιμοποιήσεις για χειρουργικές επεμβάσεις HTO.

Κατά τη διάρκεια του διδακτορικού του, ο Kanagalingam κέρδισε μια υποτροφία τοποθέτησης EPSRC Innovation, η οποία διευκόλυνε μια ερευνητική συμφωνία με την Autodesk, συμπεριλαμβανομένου ενός μαθήματος για τον γενετικό σχεδιασμό στο Κέντρο Τεχνολογίας Autodesk στο Μπέρμιγχαμ του Ηνωμένου Βασιλείου. Εκεί συνάντησε τον Champneys, ο οποίος έχει δουλέψει με τον Kanagalingam καθ’ όλη τη διάρκεια του διδακτορικού του έργου, βοηθώντας με προκαταρκτικές ιδέες που τελικά προχώρησαν σε κατασκευασμένα πρωτότυπα που βρίσκονται σε δοκιμή και επικύρωση. Πριν συνδεθεί με τους Champneys και Autodesk, ο Kanagalingam είχε εργαστεί με τρισδιάστατη μοντελοποίηση στο Autodesk Fusion 360, αλλά μαθαίνοντας για τις δυνατότητες βελτιωμένης τεχνητής νοημοσύνης του γενετικού σχεδιασμού αποκάλυψε πώς το Fusion 360 θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει πολυεπίπεδα εμβιομηχανικά δεδομένα για να ενημερώσει τα σχέδια πλάκας στερέωσης ειδικά για τον ασθενή. Οι Kanagalingam και Champneys εισήγαγαν για πρώτη φορά αυτήν τη νέα προσέγγιση γενετικής σχεδίασης για τα ορθοπεδικά εμφυτεύματα στο Πανεπιστήμιο Autodesk του Λας Βέγκας 2019.

«Με το cloud computing και τους αλγόριθμους βασισμένους στην τεχνητή νοημοσύνη, χρησιμοποιούμε απαιτήσεις σχεδιασμού όπως η δομική ακαμψία ή ο σχεδιασμός για την κατασκευή για να δημιουργήσουμε γρήγορα πολλαπλές δυνατότητες σχεδίασης χωρίς ανθρώπινη συμμετοχή», λέει ο Champneys. «Αυτό είναι πολύ πιο κοντά στη σχεδιαστική προσέγγιση της φύσης, όπου κάθε επανάληψη μαθαίνει και μεγαλώνει από την προηγούμενη, οδηγώντας σε ένα τελικό σχέδιο που ταιριάζει απόλυτα στο περιβάλλον που προορίζεται. Και ο γενετικός σχεδιασμός βελτιστοποιείται αυτόματα για τη μέθοδο κατασκευής. Εάν επιλεγεί η κατασκευή προσθέτων, ο αλγόριθμος προσαρμόζει το σχήμα για να μειώσει το απαιτούμενο υλικό υποστήριξης, μειώνοντας επίσης τον χρόνο και το κόστος μετά την επεξεργασία».

Σε όλο αυτό το έργο, ο Kanagalingam και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν το Fusion 360 για τη χειρουργική προσομοίωση της διαδικασίας HTO, καθορίζοντας τις χειρουργικές παραμέτρους για τα γενετικά σχέδια και για τα λεπτομερή τελικά σχέδια των νέων πλακών HTO. Ο Kanagalingam λέει ότι το λογισμικό κατέστησε δυνατή την εξαγωγή αυτών των χειρουργικών παραμέτρων από τα τρισδιάστατα μοντέλα και τη χρήση τους για τον καθορισμό κλινικών απαιτήσεων για γενετικό σχεδιασμό, όλα σε μία διεπαφή.

Δημοσιεύτηκε το Proof of Concept

Ο Kanagalingam και η ερευνητική του ομάδα δημοσίευσαν μια εργασία στο Progress in Additive Manufacturing (PIAM) που αποδεικνύει τη βιωσιμότητα της νέας τους ροής εργασίας από άκρο σε άκρο, συμπεριλαμβανομένης της κατασκευής προσθέτων για την παραγωγή αξιόπιστων, ειδικά σχεδιασμένων για τον ασθενή, γενετικά σχεδιασμένες συσκευές στερέωσης οστών. Η έρευνα αυτής της εργασίας παρουσιάστηκε αρχικά στο Διεθνές Συνέδριο ASTM για την Κατασκευή Πρόσθετων 2021 και αντιπροσωπεύει την πιο λεπτομερή περιγραφή των γενετικά σχεδιασμένων πλακών στερέωσης οστών μέχρι στιγμής στο πεδίο.

«Το έργο ήταν μια εξαιρετική επίδειξη της διαδικασίας από άκρο σε άκρο που εμπλέκεται στον γενετικό σχεδιασμό, την κατασκευή και τη μετεπεξεργασία αυτών των λειτουργικών πρωτοτύπων εμφυτευμάτων», λέει ο Chris Dalton, μηχανικός προηγμένης έρευνας στο MTC.

Αυτή η ποικιλόμορφη ομάδα σχεδιαστών, κλινικών ιατρών και τεχνικών χρησιμοποίησε τις διαδικτυακές συνεργατικές δυνατότητες του Fusion 360 για να επανεξετάσει τις αναπτυσσόμενες επαναλήψεις των παραμέτρων σχεδίασης και κατασκευής των μοντέλων εμφυτευμάτων. Κατά τη διερεύνηση πώς θα μπορούσαν να κατασκευαστούν τα εμφυτεύματα όχι μόνο χρησιμοποιώντας μεθόδους κατασκευής πρόσθετων, αλλά και με μηχανική κατεργασία CNC, χρησιμοποίησαν το Fusion 360 για να δημιουργήσουν τις διαδρομές εργαλείων CNC και τις στρατηγικές κατεργασίας για την κατασκευή των εξαρτημάτων και των οπών/κλωστών μέσα στα εμφυτεύματα.

Το Kanagalingam έχει τώρα πέντε πρωτότυπα εμφυτεύματα—μερικά κατασκευασμένα με πρόσθετη κατασκευή και μερικά από μηχανική κατεργασία CNC. Επόμενο στην ατζέντα του έργου: επίδειξη της μηχανικής τους απόδοσης πειραματικά. Ο Kanagalingam λέει ότι έχουν επικυρώσει με επιτυχία τα πρωτότυπα υπολογιστικά και θα μπορούσαν τελικά να προχωρήσουν σε μεταφραστική κλινική δοκιμή.

«Αυτή η γενετική προσέγγιση σχεδιασμού θα μπορούσε να μεταφερθεί αμέσως σε όλα τα ορθοπεδικά εμφυτεύματα», λέει ο Kanagalingam. «Οτιδήποτε είναι φέρον —όχι μόνο μια άρθρωση γονάτων, αλλά και κατάγματα γνάθων, ώμοι—οπουδήποτε. Το βλέπω να υιοθετείται για πολλούς λόγους. Άνοιξε το χώρο σχεδιασμού για βιοϊατρικά εμφυτεύματα και είμαι βέβαιος ότι σύντομα θα εφαρμοστεί από άλλους ανθρώπους στον ακαδημαϊκό χώρο και τις ορθοπεδικές βιομηχανίες».